05-2004_77_80 silniki elektr w praktyce.pdf

K U R S

Silniki elektryczne w praktyce

elektronika, czêæ 6

Silniki pr¹du zmiennego

Zmiana kierunku

obrotów

Najczêciej kierunek obro-

tów jest wymuszony przez

konstrukcjê silnika i nie jest

mo¿liwa jego zmiana. Wyj¹tek

stanowi¹ silniki kondensatoro-

we z jednakowymi uzwojenia-

mi A i B. W takim silniku

zmiana kierunku obrotów po-

lega na prze³¹czeniu konden-

satora z uzwojenia B do A.

Mo¿na to zrealizowaæ przy

pomocy dwóch przekaników

mechanicznych lub pó³prze-

wodnikowych ( rys. 41 ). Kieru-

nek obrotów silnika zale¿y od

tego, czy zwarty jest styk S1

czy S2 (oczywicie trzeba

zadbaæ aby nigdy nie by³y

zwarte oba styki jednocze-

nie). Podobny sposób zmiany

kierunku obrotów jest stoso-

wany w silnikach napêdu bêb-

na pralek automatycznych.

Kontynuujemy prezentacjê zagadnieñ zwi¹zanych ze sterowaniem

silników zmiennopr¹dowych, przedstawimy tak¿e podstawowe

informacje o falownikach, które s¹ obecnie najbardziej efektywnym

narzêdziem do sterowania prac¹ silników tego typu.

W silnikach asynchronicz-

nych 3-fazowych zmiana kie-

runku wymaga prze³¹czenia

kolejnoci faz, zwykle jest re-

alizowana przy pomocy stycz-

ników lub prze³¹czników me-

chanicznych.

50% obrotów znamiono-

wych. Dalsze zmniejszanie

obrotów spowoduje zatrzy-

manie silnika.

- Moment obrotowy zmniejsza

siê wraz ze spadkiem napiêcia.

- Stabilnoæ obrotów jest nie-

najlepsza - zale¿y od zmian

obci¹¿enia. Bez obci¹¿enia

efekt regulacji zanika.

- Przy starcie pod obci¹¿e-

niem konieczny jest rozruch

z pe³nym napiêciem zasila-

nia, potem dopiero mo¿na

je zmniejszyæ do uzyskania

po¿¹danych obrotów.

- Niektóre silniki reaguj¹ na

sterowanie fazowe g³onym

i nieprzyjemnym buczeniem.

Zjawisko to jest trudne do

usuniêcia, poniewa¿ zale¿y

od technologii produkcji sil-

nika (sztywnoæ konstrukcji,

sposób impregnacji uzwojeñ

i blach stojana).

- Napiêciowa metoda regulacji

doæ dobrze sprawdza siê

w przypadku silników konden-

satorowych, nieco gorzej dla

silników ze zwart¹ faz¹ rozru-

chow¹, natomiast praktycznie

nie nadaje siê do silników

z uzwojeniem rozruchowym.

Pomimo wymienionych

wad, jest to czêsto stosowany

sposób regulacji ze wzglêdu

na swoj¹ prostotê. Na przy-

k³ad polski producent silników

- firma Besel oferuje konden-

satorowe silniki 1-fazowe

przystosowane do napiêciowej

regulacji obrotów (seria SSg,

SSh).Do budowy sterownika

fazowego doskonale nadaje siê

uk³ad U2008B firmy TEMIC.

Schemat aplikacyjny uk³adu

jest przedstawiony na rys. 42 .

Elementy R1, D1, C1 zapew-

niaj¹ zasilanie uk³adu - we-

wnêtrzny stabilizator ustala

napiêcie -Vs (wyprowadzenie

5) na poziomie -14 V. Obroty

silnika reguluje siê poprzez

zmianê napiêcia na wyprowa-

dzeniu 3 (potencjometrem P1).

Napiêcie to mo¿e siê zmieniaæ

w zakresie od -9 V (maksymal-

ny k¹t wyzwalania triaka =

minimum obrotów) do -2 V

(minimalny k¹t wyzwalania =

maksimum obrotów). K¹t wy-

zwalania

Regulacja prêdkoci

obrotowej

Naj³atwiejsza do zrealizowa-

nia jest regulacja poprzez

zmianê polizgu silników jed-

nofazowych. Wykorzystywana

jest tutaj zale¿noæ polizgu od

obci¹¿enia i napiêcia zasilania

silnika. Obni¿enie wartoci na-

piêcia przy niezmiennym ob-

ci¹¿eniu spowoduje wzrost po-

lizgu i zmniejszenie obrotów

silnika. Do regulacji napiêcia

najczêciej wykorzystuje siê

uk³ady ze sterowaniem fazo-

wym triaka - takie same jak

do regulacji obrotów silnika

uniwersalnego komutatorowego.

Niestety taki sposób regulacji

ma wiele wad i ograniczeñ:

- Zastosowanie jest ograniczo-

ne do sta³ych obci¹¿eñ

(wentylatory, ma³e pompy

wodne), nie nadaje siê do

silników startuj¹cych pod

du¿ym obci¹¿eniem.

- Zakres regulacji jest ograni-

czony - mo¿na uzyskaæ do

max odpowiadaj¹cy

minimum obrotów reguluje siê

potencjometrem R8. W uk³adzie

U2008B jest doskonale rozwi¹-

zane wyzwalanie triaka: uk³ad

monitoruje pr¹d triaka (po-

przez pomiar napiêcia bramko-

wego) i daje impuls bramkowy

dopiero po wykryciu zaniku

pr¹du. Je¿eli triak nie za³¹czy³

siê, to uk³ad kontroli pr¹du

Rys. 41

Elektronika Praktyczna 5/2004

K U R S

powoduje wygenerowanie ko-

lejnych impulsów bramkowych.

Poza tym U2008B ma dodat-

kowe uk³ady stabilizacji obro-

tów silnika przy zmianach na-

piêcia sieci (wyprowadzenie 7)

i zmianach obci¹¿enia. Kontro-

lê pr¹du obci¹¿enia realizuje

wyprowadzenie 1 poprzez po-

miar spadku napiêcia na R6.

Wiêksze obci¹¿enie silnika po-

woduje wzrost poboru pr¹du,

uk³ad regulacji reaguje zmniej-

szeniem k¹ta wyzwalania - co

przeciwdzia³a spadkowi obro-

tów. Dodatkowo zapewnione

jest wy¿sze napiêcie zasilania

w momencie rozruchu silnika.

W przypadku sterowania silni-

kiem indukcyjnym nale¿y do-

braæ parametry uk³adu regula-

cji pr¹du do konkretnego sil-

nika - poprzez zmianê warto-

ci R6 i R10.

Silniki z podwójnym

uzwojeniem

Je¿eli konieczna jest praca

silnika z dwiema ró¿nymi

prêdkociami obrotowymi, to

mo¿na wykonaæ silnik z dwo-

ma kompletami uzwojeñ

o ró¿nej liczbie biegunów.

Rys. 42

Przyk³adem mog¹ byæ silniki

stosowane w starszych mode-

lach pralek automatycznych

( rys. 43 ). Uzwojenia A i B s¹

8-biegunowe (350 obr./min.)

a uzwojenia C i D s¹ 2-biegu-

nowe (2800 obr./min.). Styki

S1 i S2 uruchamiaj¹ tryb

prania, a styk S3 - wirowanie.

dy D1 i d³awika L. Pamiêtaj-

my, ¿e przy kluczowaniu im-

pulsowym obci¹¿eñ indukcyj-

nych wystêpuje tzw. faza re-

generacyjna, kiedy energia sa-

moindukcji jest zwracana do

ród³a zasilania. Kondensator

C pe³ni rolê filtra prostownika,

ale tak¿e przejmuje t¹ energiê

za porednictwem diody D1.

D³awik L pe³ni rolê filtra

ograniczaj¹cego zak³ócenia.

Schemat na rys. 45 jest bar-

dzo uproszczony, rzeczywiste

uk³ady falowników zawieraj¹

wiele dodatkowych elementów

zabezpieczaj¹cych przed prze-

piêciami, ograniczaj¹cych

pr¹d w stanach nieustalonych

itp. Je¿eli z uk³adu z rys. 45

usuniemy 2 diody z prostowni-

ka i 2 tranzystory wyjciowe,

to uzyskamy uk³ad falownika

1-fazowego.

Kszta³towanie sinusoidal-

nego przebiegu pr¹du w uzwo-

jeniach silnika uzyskuje siê

za pomoc¹ modulacji impul-

sowej PWM. Uzwojenia silni-

ka dzia³aj¹ jako filtr dolno-

przepustowy LR wyg³adzaj¹-

cy przebieg pr¹du. Zasadê

kszta³towania pr¹du w uzwoje-

niach ilustruje rys. 46 .

Rzeczywisty kszta³t obwiedni

krzywej pr¹du nie jest ideal-

n¹ sinusoid¹, w najprostszych

falownikach wykres pr¹du ma

kszta³t zbli¿ony do trapezu

i jest formowany z kilku im-

pulsów.

Falowniki - zasada

dzia³ania

Falowniki umo¿liwiaj¹ re-

gulacjê prêdkoci obrotowej in-

dukcyjnych silników asynchro-

nicznych poprzez zmianê czês-

totliwoci napiêcia zasilaj¹cego.

Schemat blokowy najprostszego

falownika jest przedstawiony

na rys. 44 , realizacja prak-

tyczna stopni mocy - na rys.

45 . Stopieñ wyjciowy stano-

wi¹ trzy uk³ady pó³mostkowe

z tranzystorami IGBT, zasilaj¹-

ce impulsowo uzwojenia silni-

ka. Stopieñ poredni DC sk³a-

da siê z kondensatora C, dio-

Rys. 43

Elektronika Praktyczna 5/2004

K U R S

Rys. 44

tuda i czêstotliwoæ obwiedni

pr¹du z rys. 46 . Nie jest

trudno zaprojektowaæ uk³ad

z mikrokontrolerem do stero-

wania szecioma tranzystora-

mi, znacznie wiêkszym prob-

lemem jest napisanie odpo-

wiedniego oprogramowania.

Na razie rzadko spotyka siê

amatorskie konstrukcje fa-

lowników, jednak nied³ugo

mo¿e siê to zmieniæ ze wzglê-

du na gwa³towny wzrost za-

potrzebowania na tanie falow-

niki do sprzêtu AGD. Powsta-

j¹ ju¿ pierwsze klocki do

budowy falowników:

- IRAMS10UP60A (Internatio-

nal Rectifier) - zintegrowa-

ny stopieñ wyjciowy, z³o-

¿ony z 6 tranzystorów IGBT

oraz logiki steruj¹cej i uk³a-

dów pomocniczych (zabez-

pieczenia, pomiar pr¹du).

Szeæ wejæ steruj¹cych

mo¿na pod³¹czyæ bezpored-

nio do mikrokontrolera.

- PIC18F2539 (Microchip) -

mikrokontroler specjalnie

zaprojektowany do sterowa-

nia obrotami 1-fazowego sil-

nika indukcyjnego. Zawiera

2 generatory PWM oraz pro-

cedury sterowania nimi, do-

Falownik U/f

Pobór pr¹du przez silnik

indukcyjny mo¿na w przybli-

¿eniu okreliæ wzorem I=U/Z

, gdzie Z jest impedancj¹ sil-

nika w okrelonych warunkach

pracy. Niestety impedancja

Z jest proporcjonalna do czês-

totliwoci, czyli przy zacho-

waniu sta³ej wartoci napiêcia

zasilaj¹cego U silnik bêdzie

pobiera³ bardzo du¿y pr¹d

przy niskich czêstotliwociach.

Przy wysokich czêstotliwo-

ciach pr¹d bêdzie bardzo

ma³y i silnik nie rozwinie pe³-

nej mocy. Widzimy ju¿ pier-

wsze ograniczenie falowników:

je¿eli silnik jest przystosowa-

ny do napiêcia 230 V, to

przy pomocy falownika (zasi-

lanego wyprostowanym napiê-

ciem 230 V) mo¿na tylko

zmniejszaæ jego obroty. Zwiêk-

szenie obrotów powy¿ej nomi-

nalnych wi¹¿e siê ze spad-

kiem mocy i momentu obroto-

wego. Przy zmniejszaniu obro-

tów nale¿y zmniejszaæ ampli-

tudê napiêcia zasilaj¹cego

U proporcjonalnie do zmniej-

szania czêstotliwoci f. Uk³ad

pracuj¹cy wed³ug powy¿szej

zasady jest nazywany falowni-

kiem ze sta³ym stosunkiem U/

f. Wspó³czynnik wype³nienia

impulsów steruj¹cych tranzys-

torami stopnia wyjciowego

z rys. 45 musi zmieniaæ

siê w taki sposób, aby ka¿dej

prêdkoci obrotowej silnika

odpowiada³a w³aciwa ampli-

Rys. 45

Elektronika Praktyczna 5/2004

K U R S

nika te¿ mo¿e siê zmieniaæ

w szerokich granicach. Wad

tych jest pozbawiony falownik

ze sterowaniem wektorowym

z rys. 47 . Czujniki obrotów

silnika oraz chwilowego pr¹du

uzwojeñ dostarczaj¹ pe³nej in-

formacji o aktualnych warun-

kach pracy. Kontroler dokonu-

je analizy wektorowej sk³ado-

wych pr¹du i tak dobiera ob-

wiedniê i czêstotliwoæ pr¹du

w uzwojeniach, aby w ka¿dej

chwili zapewniæ optymalne

warunki pracy silnika. Dziêki

temu mo¿liwe jest p³ynne

rozpêdzanie i hamowanie sil-

nika z uwzglêdnieniem bez-

w³adnoci napêdu oraz stabi-

lizacja prêdkoci obrotowej

przy zmianach obci¹¿enia.

W napêdach du¿ej mocy istot-

na jest tak¿e optymalizacja

zu¿ycia energii elektrycznej

poprzez utrzymywanie mo¿li-

wie najwy¿szego wspó³czynni-

ka mocy cos

Rys. 47

Rys. 46

den lub kilka cyfrowych por-

tów we/wy, umo¿liwiaj¹cych

pracê w sieciach transmisji

danych, konfigurowanie falow-

nika do okrelonych potrzeb,

wspó³pracê ze sterownikami

PLC.

u¿ywana, spotyka siê asyn-

chronous motor , cage motor

lub po prostu AC motor . Naj-

gorzej jest z brushless motor ,

bo mo¿e tu chodziæ o ka¿dy

rodzaj silnika nie zawieraj¹ce-

go szczotek. Nawet je¿eli jest

brushless AC motor , to mamy

wybór: silnik asynchroniczny,

synchroniczny, przemys³owy

silnik serwo AC z wiruj¹cym

magnesem.

Kondensator rozruchowy -

konsekwentnie jest tak nazy-

wany po polsku i po angiels-

ku: motor starting capacitor .

Nie ma znaczenia, ¿e w kon-

kretnym silniku jest on kon-

densatorem pracy - po prostu

ta grupa towarowa kondensa-

torów tak siê nazywa.

Jacek Przepiórkowski

stêpne z poziomu kompila-

tora C jako predefiniowane

funkcje API.

Zamiast s³owniczka -

pu³apki jêzykowe

Wszystkie sterowniki opi-

sywane w poprzednich czê-

ciach artyku³u mo¿na by³o

umieciæ w grupie motor dri-

ver , ale nie dotyczy to falow-

ników. Angielskim odpowied-

nikiem falownika jest AC Mo-

tor Inverter .

Sporo problemów dostar-

cza nazewnictwo silników in-

dukcyjnych: nazwa AC in-

duction motor jest rzadko

Falownik wektorowy

Opisany powy¿ej falownik

nie potrafi korygowaæ warun-

ków pracy silnika przy roz-

pêdzaniu, hamowaniu i zmia-

nach obci¹¿enia. Mo¿na prze-

widywaæ, ¿e w niektórych sy-

tuacjach wspó³czynnik mocy

silnika bêdzie bardzo nieko-

rzystny, poza tym polizg sil-

. Realizacja ste-

rowania wektorowego wymaga

zastosowania szybkich proce-

sorów DSP z bardzo rozbudo-

wanym oprogramowaniem. Fa-

lowniki stosowane w automa-

tyce przemys³owej maj¹ je-

Elektronika Praktyczna 5/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: